監 監
監測系統規劃 測系統規劃 測系統規劃 測系統規劃
道路建設為國家重要之基礎建設，道路安全管理暨公路建設後，
成為極為重要的課題。臺灣地區由於多山坡地，山區道路遭遇颱風、
豪雨之侵襲而產生之災害問題，將對於用路人行車安全構成極大之威 脅。因此，合宜地應用監測系統，將可做為山區道路安全管理之重要 依據。然因山區道路易致災區域各有不同的災害特性，故監測預警系 統之規劃亦應有不同之考量。為充分獲得監測預警所需之相關資料進 行分析，唯有透過長期監測之累積，方得以了解山區道路災害之監測 預警特性及其管理值。
一般而言，監測系統可概分為人工記讀系統以及自動化系統，自 動化系統其組成包括：(1)感測單元；(2)資料擷取單元；(3)資料傳輸單 元；(4)資料儲存、展現或分析單元；以及(5)電源供應等五個單元。其 中感測單元感測現地物理量(如位移)或環境條件(如雨量)之變化，由資 料擷取系統收集、記錄、篩選、判讀並經由資料傳輸單元送達遠端之 資料儲存單元儲存、展現或分析資料，必要時並可發送現地警報、簡 訊通知守視人員或保全戶。而電源供應單元則負責供應現地或遠端設 備所需之穩定電流。
監測系統規劃應該包括以下各項：
1. 完整之環境資料蒐集與調查。
2. 可能災害機制分析。
3. 可能災害風險分析。
4. 根據不同災害機制，決定監測之物理量。
5. 根據山區道路邊坡不同崩塌機制與風險性，選擇適當感測儀器，並 決定監測儀器安裝之深度、位置以及數量。
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6. 監測系統正確之設置與維護。
7. 適時之量測與資料擷取。
8. 決定資料擷取、傳輸方式。
9. 決定監測所得數據之分析、管理與展示介面。
10.因地、因時制宜之崩塌預警基準。
11.根據長期監測結果，持續檢討監測規劃與預警策略。
監測資料應進行妥善之分析，以作為邊坡評估、現象預測及預警 基準訂定之重要參考。監測資料分析，一般係將觀測數據以適當比例 依時間域繪成曲線，並將影響該觀測值之因素曲線繪在一起，以利比 較研判。曲線中可顯示觀測值之長期、短期或異常之突變，再依曲線 之變化趨勢，與過去觀測資料、理論分析及自然現象之預期趨勢相比 較，以作為警戒預警基準之訂定參考與修正之依據。其中主要係根據 各項監測值所繪製過程曲線之穩定性、相關性、合理性、一致性、突 變性及對稱性加以研判評估(USBR，2001)，其特性分述如下。
1. 穩定性穩定性穩定性穩定性
當監測量過程曲線變化之規律與趨勢成穩定狀態，則屬正常；
如原因量不變而效應量之趨勢隨時間不斷向不利方向增長，則屬不 穩定之異常狀態。
2. 相相相相關性關性關性關性
平常監測值中原因量與效應量都會成一定之相關性，如其相關 性較以往有所改變，則屬異常。
3. 合理性合理性合理性合理性
監測量之變化趨勢符合自然界之物理現象則屬正常，否則屬異 常。
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4. 一致性一致性一致性一致性
在相同條件下(即原因量相同)，效應量之變化型態應為一致或相 似；同一位置使用不同儀器所量測之同一物理量亦應符合一致性，
則屬正常，否則屬異常。
5. 突變性突變性突變性突變性
監測量之變化過程中，如有不符合預期或不按規律之突變，則 屬異常。如為單一之突變，則可能屬人為之錯誤，如為重複或連續 之突變，則可能屬儀器或系統之故障或結構(本質)已有異常現象。
6. 對稱性對稱性對稱性對稱性
如監測儀器埋設於具對稱之位置，則其監測量之變化亦應具對 稱性，否則應為異常。
掌握監測系統之特性，除可了解監測對象之特質，亦可作為物理 現象模擬時之參考，並進一步根據現象模擬成果利用理論或經驗方法 進行預警基準訂定。由於自然災害的不確定性，在大部分的災害監測 中，大多透過統計模式協助訂定警界預警基準。然因預警之發佈攸關 重大，後續須動員人力物力，因此對於監測儀器監測值(曲線)有偏離預 期之趨勢時，須得專業判識是否為人為或機械功能異常等因素引起。
6.1 各類易致災路段之監測元件及系統規劃各類易致災路段之監測元件及系統規劃各類易致災路段之監測元件及系統規劃各類易致災路段之監測元件及系統規劃 6.1.1 各類易致災各類易致災各類易致災各類易致災路段之監測元件路段之監測元件路段之監測元件 路段之監測元件
監測儀器之規劃需考量易致災因子的物理特性，對於已知的工程 監測儀器，目前市面上已有相當多的產品，皆具有相當的可靠度。需 考量的是其精度及量測方式的耐候度，高精度的產品往往價格昂貴、
耗電量大，對於野外長期監測並不利。因此，考量致災因子的重要程 度，選擇合適的監測設備，是不可或缺的一環。一般而言，對於山區 道路之監測，依其物理量區分監測元件主要可歸納為：
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1. 應變或位移監測應變或位移監測應變或位移監測應變或位移監測
邊坡滑動必然有移動之發生，移動之總量、速率以及分佈通常 是所需要量測之物理量中最重要的。邊坡崩塌現象可分為地表與地 層中之移動，地表之垂直、水平位移、裂縫之擴張、以及坡址之隆 起都可作為監測之對象，雖然可以從邊坡表面之特性來判斷地層移 動之嚴重性，但是最能夠顯示邊坡滑動即將發生之重要指標通常還 是來自於土壤或岩層內部微量之移動。只靠坡面之觀察來決定邊坡 之穩定是不夠的，而必須要與邊坡內部行為之監測相互配合。地層 滑動的方向通常可以由裂縫之型態尤其是裂縫邊緣幾何形狀之匹配 來推敲。管理單位可藉由應變或位移監測輔助觀察工程構造物之擋 土牆破壞、路面皸裂等決定管制作為，或以應變或位移監測掌握工 程結構物的安全係數變化，事先提出警告，達到預警的功能。相關 之感測單元包括：
(1)地滑計(Surface Extensometer，地表伸縮儀)：地表水平變位之監測。
(2)沉陷觀測點(Settlement Mark)：地表或構造物沉陷量之監測。
(3)沉陷計(Extensometer)：地層垂直變位之監測。
(4)裂縫計(Crack Gauge)：地表或構造物裂縫寬度變化之監測。
(5)應變計(Strain Gauge)：構造物受力變形產生應變之監測。
(6)傾斜管(Inclinometer)：地層(或構造物)滑動面之深度、位移量及位 移速率等之監測。
(7)傾度盤(Tiltmeter)：地表、結構物或擋土護坡構造物傾斜變位之監 測。
2. 雨量雨量雨量雨量、、、、水位與水壓監測水位與水壓監測水位與水壓監測水位與水壓監測
降雨為邊坡崩塌重要之誘因，另一方面，在許多邊坡滑動之問 題中滑動體內之孔隙水壓也是重要之參數。尤其是在有互層的情況
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下過量之靜態孔隙水壓可能存在於某些岩層之中而造成坍塌。因此 雨量、水位與水壓監測相當重要。相關之感測單元包括：
(1)水位觀測井（Observation Well）
(2) 水 壓 計 (Piezometer) ： 有 開 口 式 水 壓 計 (Open Standpipe Piezometer)、壓氣式水壓計(Pneumatic Piezometer)、電子式水壓 計(Electrical Piezometer)
(3)流量計 (4)雨量計
(5)土壤含水量計(Soil Moisture Sensor)
對於降雨對地下水位的影響，在不同降雨程度下地下水位會有 不同程度之上升，受表層土壤為非飽和及滲流的影響，在暴雨情況 下地層內水壓隨深度之分佈常是非線性的(Ng et al., 2001)。如果使用 傳統在鑽孔內只量測一至兩個深度可能無法正確反應水壓分佈。此 一現象也顯示做地層內分佈式水壓監測之重要性。
運用儀器量測含水量主要原理是利用視介電常數推得體積含水 量。土壤是由水、空氣、土壤所組成，由於蒸餾水的視介電常數為 76 至 84，土壤大約為 3 至 8，因此脈衝波進入土壤之低介電常數的 環境，只需要微小含水量的變化，總合效應之介電常數將會劇烈增 大，此為 TDR(Time~Domain Reflectometry)技術量測含水量之基本 概念，再由迴歸經驗式，來建立土壤電學性質與工程物理性質之關 係，即可求得所對應之體積含水量(Dowding, 2001)。
目前國內對於崩塌災害的監測研究，已逐漸走向以土壤含水量 作為主要監測項目，但囿於野外地層土壤的高度非均值，含水量的 警戒預警難以訂定，需先率定其當地參數後，再搭配計量模式為之，
因此建議應輔以其他設備來監測。
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3. 應力監測應力監測應力監測應力監測
應力包括地層之現地應力與擋土構造物所受之應力，應力之監 測常可供檢討構造物之設計條件。相關之感測單元包括：
(1)土壓計(Earth Pressure Cell) (2)鋼筋計(Rebar Stressmeter) (3)地錨荷重計(Load Cell)
一般而言，感測器可裝設在有擋土護坡之結構物上，或埋設於 其周圍或其下的地層中，用以觀測該擋土護坡結構或地盤與其周圍 環境的相互作用以及其變化。
4. 光纖光柵感測器光纖光柵感測器光纖光柵感測器光纖光柵感測器
光纖感測技術具有許多傳統電子感應技術沒有的優點，包括(1) 體積小－光纖直徑一般為 250μm 左右體積甚小；(2)耐久性高－光 纖之主要成份是矽(silica)為非金屬，可以長期埋在地下而不易腐蝕 或改變其性質；(3)光纖訊號可長（數十公里）距離傳輸而不受電磁 波干擾；(4)可以在同一光纖上做多點分佈式的監測。
目前國內已研發成功光纖光柵（Fiber Bragg Grating, FBG）節理 式偏斜儀（FBG Segmented Deflectometer, FBG-SD），其設計是與傳 統傾斜管匹配，將 FBG-SD 插入固定於地層內之傾斜管，以 FBG-SD 節理間偏斜角度之改變來估算傾斜管之變形分佈。FBG-SD 已成功 的應用於公路邊坡或地層開挖支撐變形之監測。(黃安斌等，2009)。
上述不同之感測器，將量測得不同物理量，包括應力、變形以及 水壓等，而不同塊體移動型態、規模，其物理量之變化即有極大之不 同，因此感測單元之選擇以及位置之布設，必需對於其物理現象有深 入的瞭解。不正確之感測單元選擇將降低山區道路預警與安全管理功
上述不同之感測器，將量測得不同物理量，包括應力、變形以及 水壓等，而不同塊體移動型態、規模，其物理量之變化即有極大之不 同，因此感測單元之選擇以及位置之布設，必需對於其物理現象有深 入的瞭解。不正確之感測單元選擇將降低山區道路預警與安全管理功